Chimica generale

Lezione 1. 28-09-21

Martedì 28 settembre 2021 09:08

Chimica e materia

Chimica: la chimica studia la materia ovvero la sua composizione, le proprietà, le trasformazioni. La materia è composta da atomi che a loro volta sono formati da particelle subatomiche cioè protoni neutroni ed elettroni, le proprietà dipendono dal tipo di atomo della materia, le proprietà dipendono anche dal modo in cui gli atomi sono legati tra di loro, quindi dai legami. Ci sono sostanze che anche se sono formate dallo stesso tipo di atomi e dallo stesso numero di atomi sono una sostanza diversa, quindi il tipo di legame è fondamentale.

La materia può esistere in 3 stati di aggregazione: gassoso, liquido e solido, dipendono da temperatura e pressione, le sostanze allo stato solido sono quelle che hanno una forma propria e un volume proprio ben definiti, sono incompressibili cioè il volume non varia al variare della pressione, i liquidi non hanno una forma propria ma hanno un volume proprio e sono anch'essi incompressibili, i gas sono sostanze che non hanno una forma propria né un volume proprio, sono altamente compressibili.

Proprietà e trasformazioni

Proprietà fisiche sono intrinseche della sostanza, la sostanza le possiede in quanto tale, es il colore l'odore sapore temperatura di fusione ecc.

Proprietà chimiche sono proprietà che la sostanza manifesta quando viene messa a contatto con altro, reattività con i metalli, reattività con gli acidi, infiammabilità ecc.

Trasformazioni spontanee o provocate dall'uomo cioè le reazioni chimiche da laboratorio.

Trasformazioni fisiche modificano lo stato di aggregazione della sostanza, ma la sostanza non cambia es. acqua allo stato solido che passa allo stato liquido. Sono processi reversibili, avvengono in una variazione della temperatura.

Trasformazioni chimiche parto da una sostanza e arrivo ad un'altra sostanza, es. l'acqua si decompone in idrogeno gassoso e ossigeno gassoso. Molte trasformazioni chimiche avvengono con la temperatura, ma solitamente non sono reversibili.

Tutte le trasformazioni sono accompagnate da una variazione del contenuto di energia del sistema.

Energia capacità di compiere lavoro.

Lavoro capacità di mettere in movimento un oggetto.

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L'obiettivo è il minimo contenuto di energia, più basso è il contenuto di energia, tanto più il sistema è stabile.

Materia, miscugli e sostanze pure

Materia: costituita da

Miscugli sono dei sistemi che possono essere di tipo

• Eterogenei (miscele) es. sabbia e limatura di ferro che sono ancora distinguibili e posso separarli senza subire alterazioni.
• Omogenei (soluzioni) i componenti uniti non riesco ad identificarli separatamente es. acqua e sale, però ho dei limiti cioè la saturazione, se metto troppo sale questo non si scioglie e diventa un miscuglio eterogeneo.

Sostanze pure: costituiti da

• Elementi sono sostanze pure che non possono essere scomposte in sostanze più semplici, attualmente sono 118 elementi conosciuti.
• Composti sostanze pure che possono essere scomposte in sostanze più semplici es. acqua.

Elementi e composti

Elementi:

• Singoli atomi (gas nobili, He, Ne ecc.) hanno una configurazione elettronica per cui non hanno alcun interesse a legarsi, sono alla massima stabilità già da soli.
• Molecole biatomiche (H2, O2, N2, Cl2 ecc.) sono molecole fatte da due atomi nel loro stato elementare.
• Aggregati di atomi tenuti insieme da legami di tipo metallico (Na, K, Ca, Mg ecc.).
• Aggregati di atomi tenuti insieme da legami di tipo covalente: Carbonio che esiste tramite dei legami (es grafite e diamante).

Elementi sono di 3 tipi: metalli (duttili, malleabili, buoni conduttori di calore e di elettricità, solidi a temperatura ambiente tranne il mercurio), non metalli (non sono duttili, non sono malleabili, sono cattivi conduttori di calore e di elettricità, il bromo è liquido gli altri sono solidi e gassosi), semimetalli (sono una via di mezzo).

Composti li rappresentiamo tramite formule chimiche e sono:

• Molecolari (H2O, NH3, CH4 ecc.) aggregato di due o più atomi, stabilisco il numero di elementi solo guardando la formula, es. H2O ha 2 molecole di idrogeno e 1 di ossigeno.
• Ionici (NaCl, CaCl2 ecc.) aggregati di ioni, ad es. cloruro di sodio che è formato in rapporto 1:1, Cloruro di calcio fatto da calcio e cloro con rapporto 1:2.
• Polimerici sono molecole grandissime caratterizzate da aggregato di atomi (unità di ripetitiva) che viene ripetuta a formare una catena lunga (PVC polivinilcloruro).

Gli atomi sono neutri.

Ioni sono atomi che hanno acquistato o perso un elettrone, ad es. catione Na+ ha perso elettrone (ione sodio), se l'atomo acquista un elettrone diventa uno ione negativo detto anione Cl- ha acquistato un elettrone (ione cloruro).

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Leggi fondamentali

Legge di conservazione della massa (Lavoisier)

Ci dice che in una qualunque reazione chimica la massa totale dei prodotti deve essere uguale alla massa totale dei reagenti.

Legge esatta ma non rigorosa perché la variazione di massa è piccolissima ma non è uguale a 0, quindi non è rigorosa perché abbiamo una variazione di massa infinitesima.

Legge di composizione costante

Ci dice che qualunque sostanza considerata, in qualunque modo ottenuta, ha sempre la stessa composizione. La massa dell'atomo di calcio è 1,25 più pesante dell'atomo di zolfo.

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Peso atomico, mole e spettrometro di massa

Peso atomico ogni atomo è caratterizzato dal suo peso atomico.

È il numero che mi dice quante volte il mio atomo pesa di più rispetto all'atomo di riferimento, non è quindi un valore assoluto, ma relativo.

Il riferimento è l'isotopo 12 del carbonio.

Mole è la quantità in grammi di sostanza pari a PA (se atomo) PM (se molecola).

Mole = quantità di atomi o molecole pari a

Spettrometro di massa strumento che determina il peso assoluto degli atomi, ovvero il loro peso.

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Spettrometro di massa strumento che determina il peso assoluto degli atomi, ovvero il loro peso effettivo. Il primo atomo misurato fu l'idrogeno che pesava.

Particelle subatomiche e isotopi

Particelle subatomiche:

• Protoni.
• Neutroni, particelle instabili se isolate che si dissocia in p+ ed e-.
• Elettroni.

Big bang t=0

Dopo t=10^-6 sec compaiono i quark con una temperatura T=10¹⁰ K

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Isotopi atomi dello stesso elemento che hanno stesso numero atomico ma diverso numero di massa, differiscono per il numero di neutroni. (hanno le stesse proprietà chimiche)

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Lezione 2. 29-09-21

Martedì 28 settembre 2021 12:25

Isotopi dell'idrogeno e spettrometro di massa

Isotopi idrogeno: atomi dello stesso elemento chimico che differiscono per il numero di neutroni (numero di massa).

Spettrometro di massa: strumento che produce ioni (allo stato gassoso) e li separa in fase gassosa in base al loro rapporto massa/carica (m/z).

Composto da compartimenti sotto vuoto, ad esempio partiamo da un campione di idrogeno si introduce il campione e da un filo metallico incandescente si ha l'emissione di elettroni (fascio di elettroni), il fascio di elettroni colpisce il mio campione, gli atomi diventano ioni (ioni positivi per quanto riguarda l’idrogeno), passano attraverso una fenditura in modo da creare un fascio di ioni, subiscono un'accelerazione (perché viene posto un campo elettrico), il fascio di ioni viene sottoposto all'azione di un campo magnetico, fa un tratto curvilineo e in base alla massa gli ioni curvano diversamente, rilevo i tre isotopi (che appunto hanno massa diversa) gli ioni raggiungono il rivelatore e mi danno un picco, nel caso dell'idrogeno avrò 3 picchi relativi ai 3 isotopi, il picco è proporzionale alla massa (più alta la massa più alto è il picco).

Le prime particelle subatomiche scoperte sono gli elettroni, da Thomson, vede che i raggi catodici sono dotati di particelle di carica negativa.

Modello atomico di Thomson

Modello atomico di Thomson (modello a panettone)

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Modello atomico di Thomson (modello a panettone)

Ipotizza che l'atomo sia una sfera caricata positivamente in cui sono distribuite le particelle negative cioè gli elettroni.

Modello atomico di Rutherford

Modello atomico di Rutherford (modello planetario)

Fece un esperimento ovvero viene presa una lamina di oro sottilissima che viene sottoposta a bombardamento con particelle dotate di cariche elettrica positiva (particelle alpha, cioè nuclei di elio), succede che la maggior parte delle particelle attraversano la lamina come se attraversassero il vuoto (non incontrano ostacoli), alcune particelle subiscono una deviazione della traiettoria, una piccolina quantità invece rimbalza indietro, la conclusione è che l'atomo è una struttura vuota, la massa è concentrata in un piccolo volume al centro caricato positivamente ovvero il nucleo, gli elettroni ruotano intorno al nucleo nella periferia dell'atomo.

Questo modello viene però criticato perché gli elettroni ruotando dovrebbero irraggiare (emettere energia) e ricadere sul nucleo.

Modello atomico di Bohr

Modello atomico di Bohr

Prende a riferimento l'atomo di idrogeno (1 solo elettrone)

1° postulato di Bohr:

Parte dal modello planetario, dice che fra tutti i possibili stati in cui l'elettrone si può trovare, ne esistono alcuni definiti stati stazionari in corrispondenza dei quali l'elettrone può ruotare mantenendo la sua energia costante (mantiene l'atomo stabile).

2° postulato di Bohr:

Riguarda la quantizzazione (quantizzare una grandezza significa imporre specifici valori a questa grandezza) di:

• Momento angolare: il momento angolare è quantizzato a determinati valori dipendenti da n.

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• Raggio dell'orbita: il raggio è quantizzato cioè non può assumere qualsiasi valore, ma solo dei valori ben definiti.
• Energia: l'energia è quantizzata cioè ha determinati valori dipendenti sa n.

3° postulato di Bohr:

L'atomo e quindi l'elettrone ha la possibilità di assorbire ed emettere energia sotto forma di radiazione solo se il contenuto di energia della radiazione incidente (energia che fornisco sotto forma di radiazione) è tale da consentire all'elettrone di saltare dallo stato stazionario allo stato di energia superiore, poiché in questo stato è instabile l'elettrone ritorna nello stato stazionario e restituisce l'energia sotto forma di radiazione con frequenza.

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Radiazione solo se il contenuto di energia della radiazione incidente (energia che fornisco sotto forma di radiazione) è tale da consentire all'elettrone di saltare dallo stato stazionario allo stato di energia superiore, poiché in questo stato è instabile l'elettrone ritorna nello stato stazionario e restituisce l'energia sotto forma di radiazione con frequenza.

(questo perché l'energia è quantizzata)

Conoscendo i valori di n1 e n2 possiamo ricavare la frequenza della radiazione emessa per effetto di radiazione.

Però per altri atomi, atomi più complessi, sorgono dei problemi.

Studiando gli spettri di emissione si osserva che questo modello per atomi più complessi non va bene.

Ricapitolando:

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Spettroscopio: le radiazioni colpiscono una lastra fotografica e si formano delle righe (spettro a righe)

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Lezione 3. 05-10-21

Martedì 5 ottobre 2021 09:21

Spettri di emissione e multipletti

Spettri di emissione (serie di righe) spettri a righe.

Raggruppamenti di righe sono i multipletti.

Sommerfeld introduce il concetto di orbita ellittica, ovvero a differenza di Bohr dice che gli elettroni orbitano su orbite ellittiche.

Introduce il secondo numero quantico L che definisce principalmente la forma dell'orbita, ma in misura minore definisce anche l'energia. Per il livello energetico caratterizzato da n =1 abbiamo un'unica orbita. Per n=2 corrispondono due valori di l, quindi abbiamo due orbite che hanno forme diverse e contenuti di energia leggermente diversi.

Qui abbiamo 3 orbite (con Bohr avevano un'unica orbita). Quindi mentre con Bohr l'elettrone poteva passare da un livello 1 a un livello 3, ora l'elettrone ha la possibilità di andare su 3 orbite diverse, quando l'elettrone rientra nello stato fondamentale restituendo così energia avremo 3 radiazioni che hanno contenuti di energia diversi ma molto simili, quindi formeranno 3 righe molto vicine tra loro ovvero il multipletto.

Sdoppiamenti di righe e numeri quantici

Ci sono anche degli sdoppiamenti di righe: quando l'atomo sottoposto ad eccitazione e ad un campo magnetico esterno, si osservano nello spettro di emissione degli sdoppiamenti di righe. L'elettrone durante la sua rotazione intorno al nucleo genera lui stesso un campo magnetico, quindi per tenere conto di questo campo magnetico si introduce un altro numero quantico:

Abbiamo in totale 4 orbite.

Si osservano delle righe che hanno uno spessore maggiore rispetto alle altre che sono la combinazione di due righe diverse (molto vicine), quindi si comincia a parlare della possibilità dell'elettrone di esistere in due diversi stati, cioè l'elettrone ruotando intorno al nucleo ruota anche intorno al proprio asse (in senso orario o antiorario), si introduce un altro numero quantico:

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Senso orario o antiorario), si introduce un altro numero quantico:

Ms = n° quantico di spin che indica il senso di rotazione dell'elettrone intorno al proprio asse.

Può assumere solo questi due valori.

Due elettroni che differiscono unicamente per il numero quantico di spin (per il segno dello spin) sono due elettroni con spin antiparallelo.

Abbiamo ottenuto così 4 numeri quantici: n caratterizza l'energia, l la forma e in parte l'energia, ml l'orientamento e ms il senso di rotazione dell'elettrone intorno al proprio asse.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

La teoria di Bohr entra in crisi poiché va in contrapposizione con il:

Principio di indeterminazione di Heisenberg:

Afferma che data una particella di massa m che si muove con velocità v non è possibile determinare con esattezza, nello stesso momento, la posizione e la quantità di moto.

Minore è l'incertezza sulla posizione, maggiore sarà l'incertezza sulla quantità di moto e viceversa (questo va in contrasto con quanto detto da Bohr poiché lui dice che l'elettrone è una particella di massa m che si muove con velocità v su un'orbita ben definita e quindi istante per istante conosco la posizione)

Teoria ondulatoria

Si sviluppa così una nuova teoria chiamata:

Teoria ondulatoria (meccanica ondulatoria)

De Broglie: dice che per le radiazione elettromagnetiche era stato dimostrata una duplice natura:

• Natura ondulatoria (ovvero la radiazione può essere descritta come un'onda che si propaga, con una certa lunghezza d'onda, frequenza ampiezza)
• Natura corpuscolare (la radiazione può essere vista come un'insieme di pacchetti di energia ovvero fotoni)

Quindi De Broglie dice che se questo vale per la luce allora vale anche per la materia:

• Natura ondulatoria (particella di massa m che si muove con una velocità v, possiamo associargli un'onda con lunghezza d'onda)
• Natura corpuscolare

L'elettrone non più visto come particella ma come carica elettrica negativa delocalizzata su un'onda detta onda di probabilità (def. facendo il quadrato dell'ampiezza dell'onda in ogni punto ho un valore che è direttamente proporzionale al valore della probabilità di trovare l'elettrone in quel punto)

La teoria ondulatoria ci dice quindi che non vedo più l'atomo come un nucleo e particelle che ruotano, ma come uno spazio intorno al nucleo con elevata densità di carica elettrica negativa (carica dovuta agli elettroni).

La formazione dei legami (chimici) si basa sulla sovrapposizione di zone ad elevata densità di carica elettrica negativa.

Riuscire ad identificare queste zone è importante.

Conoscere queste zone è possibile con la risoluzione di un'equazione chiamata:

Equazione di Schroedinger

Equazione di Schroedinger

Descrive il comportamento dell'elettrone visto come onda e risolvendo l'equazione si identificano le zone ad elevata densità di carica elettrica negativa (dovuta agli elettroni)

Parte dalle ipotesi di De Broglie, ovvero parte dallo studio della natura ondulatoria dell'elettrone allora esso deve soddisfare un'equazione di propagazione. (l'equazione è così complessa che è stato possibile risolverla solo per l'idrogeno).

Le soluzioni dell'equazione sono funzioni matematiche chiamate funzioni d'onda o orbitali.

Ognuna di queste funzioni matematiche identifica uno stato elettronico.

Indica qual è la probabilità di trovare l'elettrone in ciascun punto dello spazio di coordinate x,y,z intorno al nucleo.

È caratterizzata da 3 parametri:

Chimica Pagina 14

Al nucleo.

È caratterizzata da 3 parametri:

Orbitali di tipo s

Orbitali di tipo s: sono a simmetria sferica cioè il valore dell'orbita dipende esclusivamente dal raggio, cioè dalla distanza dal nucleo, quindi per tutti i punti che si trovano alla stessa distanza dal nucleo, il valore della funzione è lo stesso.

Se ho una superficie sferica di raggio=inf questa mi racchiude la zona dello spazio intorno al nucleo all'interno della quale ho 100% della probabilità di trovare l'elettrone, ma questo implicherebbe che l'atomo abbia dimensione infinita e così non è.

Però troviamo una zona dove abbiamo il 99,98% di probabilità di trovare l'elettrone, questa zona è detta superficie limite dell'orbitale. Tutti gli orbitali di tipo s hanno una superficie limite che è sferica.

Simmetria sferica: significa che il v